第一章-第五节-金属的结晶与铸锭(课堂PPT).ppt

),*,1,7,6,5,3,2,8,9,4,第三节 金属的结晶与铸锭,3.1.1,金属结晶的微观现象,凝固,：物质从液态冷却转变为固态的过程。若凝固后的物质为晶体，则称为,结晶,。,是否形成晶体，主要有液态物质的,黏度,和,冷却速度,决定。黏度高，冷速大易形成非晶态。,结晶的基本过程,：,形核和长大,两者,交错重叠进行,。,描述结晶过程的两个参数：,形核率,：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数 量。用,N,表示。,长大速度,：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用,G,表示。,金属结晶的基本规律,3.1.2,金属结晶的宏观现象,冷却曲线：冷却过程中温度随时间的变化曲线。,测定方法：,热分析法,金属结晶的基本规律,金属结晶温度：,开始结晶温度,T,n,，理论结晶温度,T,m,（两相平衡）,平台,过冷,：液态材料在,理论结晶温度以下,仍保持液态的现象。,过冷度,：理论结晶温度与实际结晶温度之差。,T=T,m,-T,n,影响因素：金属纯度，冷却速度,金属越纯，过冷度越大；冷却速度愈快，过冷度愈大。,纯金属的冷却曲线,结晶潜热,结晶潜热：金属结晶过程中释放的热能。,相变驱动力：,单位体积自由能,的变化,3.2.1,金属结晶的热力学条件,G-T,曲线,G=H-TS,dG/dT=-S0,G,B,0,是结晶的必要 条件（之一）。,b.T,越大,|G,B,|,越大过冷度越大，越有利于结晶。,c.,G,B,的绝对值为凝固过程的驱动力,。,3.2.2,金属结晶的结构条件,（,1,）液态金属结构,长程无序而短程有序。,液态与固态相比：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。,金属结晶的基本条件,液态结构模型：,微晶无序模型，,拓扑无序模型,（密集无序堆垛模型）,实际液体结构是动态的,固态金属,液态金属,3.2.2,金属结晶的结构条件,（,2,）,结构起伏（相起伏）,：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之一）。,晶胚：,尺寸较大、能长大为晶核,的短程规则排列结构。,金属结晶的基本条件,一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值，液态金属的过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。,3.3.1,均匀形核,均匀形核：在过冷的液态金属中，,依靠液态金属本身的能量,变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。,非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚,依附在其他物质表面,上成核的过程。（凝固形核的主要方式）,晶核的形成,形核：母相（液相）中形成,等于或大于,一定,临界尺寸,的新相晶核的过程。,形核方式：均匀形核，非均匀形核,3.3.1,均匀形核,3.3.1.1,晶胚形成时能量的变化,体积自由能,G,V,降低,（结晶驱动力）,表面自由能,G,S,升高,（结晶阻力）,晶核的形成,设 晶胚为球形，半径为,r,，表面积为,S,，体积为V,，过冷液体中出现一个晶胚时的总的自由能变化（,G,）：,G,-G,V,+G,S,=-VG,B,+S,=-(4/3)r,3,G,B,+4r,2,r,r,k,G,最大,;,称为,临界晶核半径,r,r,k,晶胚成为稳定的晶核。,3.3.1,均匀形核,3.3.1.2,临界晶核,临界晶核半径,r,k,减小,或增大,G,B,，,r,k,减小。,增大过冷度，,r,k,减小。,晶核的形成,3.3.1,均匀形核,3.3.1.3,形核功,临界形核功,(,A),：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。,晶核的形成,能量起伏：系统中,微小区域,的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之二）。,高能原子附上低能晶胚，释放能量，提供形核功。,3.3.1,均匀形核,形核率,（,N=N,1,.N,2,）单位时间单位体积内所形成的晶核数目,影响形核率的因素：,形核功的影响：,过冷度增大，,r,k,、,A,降低，,N,1,增加,扩散的影响,过冷度增大，温度降低，扩散减慢，,N,2,减小,晶核的形成,由于,N,受,N,1,.N,2,两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。,均匀形核是依靠,结构起伏,形成大于临界晶核 的晶胚，同时从,能量起伏,中获得形核功，形成稳定的晶核。,3.3.2,非均匀形核,3.3.2.1,非均匀形核的形核功,模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠,。,LW,=,SW,+,SL,cos,晶核的形成,G,k,非,/G,k,=(2-3cos+cos,3,)/4,a)=0,时，,G,k,非,0,，杂质本身即为晶核；,b)1800,时,G,k,非,G,k,杂质促进形核；,c)=180,时，,G,k,非,G,k,，杂质不起作用。,SL,LW,SW,3.3.2,非均匀形核,3.3.2.2,非均匀形核的形核率,影响因素：,过冷度，固体质点的性质、数量、形貌,等。,(1),过冷度的影响,远低于均匀形核过冷度。,晶核的形成,(2),固体杂质结构的影响,越小，形核率越大,LW,=,SW,+,SL,cos,点阵匹配原则：晶核与固体杂质,结构相似、原子间距相当,时促进形核。,3.3.2,非均匀形核,3.3.2.2,非均匀形核的形核率,影响因素：,过冷度，固体质点的性质、数量、形貌,等。,晶核的形成,(3),固体杂质表面形貌的影响：,凹曲面上、粗糙模壁形核率高,(4),物理因素的影响：,晶核的机械增殖,机械增殖，动力学成核,液相的宏观流动会增加形核率；,强电场或强磁场能增加形核率。,3.3.2,非均匀形核,晶核的形成,非均匀形核是利用,过冷,液相中的,活性质点或固体界面,作基底,同时依靠液相中的,相起伏,和,能量起伏,来实现的形核。,在非均匀形核时,临界半径只是决定,晶核的曲率半径,接触角,才决定晶核的形状和大小。,角越小，晶核的体积和表面积也越小，形核越容易。,34.1,晶体长大的条件,晶体的长大,晶体长大,：液体中原子迁移到晶体表面，即液,-,固界面向液体中推移的过程。,晶体长大的条件,:,(1),动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度,(,必要条件,),。,(2),足够高的温度，原子能够扩散。,(3),晶核表面能够,接纳扩散来的原子,。,3.4.2,液,-,固界面的微观结构,晶体的长大,光滑界面,：液,-,固界面上的原子,排列较规则,，界面处两相截然分开。,微观上,界面光滑，,微观上,有若干小平面。,粗糙界面,：液,-,固界面上的,原子排列较混乱,，原子分布高低不平整，在几个原子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。,微,观上,界面平直。,稳定长大过程，界面能量始终保持最低。,两种能量低的界面结构：,光滑界面，粗糙界面,3.4.4,晶体长大的形态,长大形态：长大过程中液,-,固界面的形态。,两种：,平面状长大,，,树枝状长大,取决于：,液,-,固,界面结构,的类型，界面前沿液相中,温度分布,3.4.4.1,液,-,固界面前沿液相中的温度梯度,正,温度梯度：液相中，距液,-,固界面越远，温度越高。,负,温度梯度：液相中，距液,-,固界面越远，温度越低。,固,液,晶体的长大,3.4.4,晶体长大的形态,3.4.4.2,平面状长大形态,液,-,固界面始终保持,平直的表面,向液相中长大，长大中的晶体也一直保持规则的形态。,条件：,正温度梯度,，,粗糙界面,结构的晶体为主,晶体的长大,3.4.4,晶体长大的形态,3.4.4.3,树枝状长大形态,液,-,固界面不断分支发展,条件：负温度梯度,特点：有,方向性，,取决于晶体结构,最先长成的细长的晶体，称为,主干，即为一次晶轴或一次晶枝。,在一次晶轴上长出,二次晶轴或二次晶枝,。形成树枝状骨架，称为,树枝晶,，简称,枝晶。,如果一次晶轴在各个方向上均衡发展，所形成的晶粒叫做,等轴晶粒,。如果一次晶轴在某个方向上长的很长，形成的细长晶粒叫做,柱状晶粒,。,晶体的长大,3.5.1,铸态晶粒的控制,晶粒度：用于表示晶粒大小的一个概念。用晶粒的,平均面积,或,平均直径,表示。,凝固理论的应用,晶粒越小，材料强度、硬度、塑性、韧性越高。,这种方法称为,细晶强化,，能同时提高金属材料,的强度、硬度、塑性、韧性。,钢的标准晶粒度：,分为,8,级，一级最粗，八级最细。,3.5.1,铸态晶粒的控制,凝固理论的应用,细化晶粒的途径,1.,增加形核率,N,；,2.,降低长大速度；,细化晶粒的方法,1.,增大金属的过冷度：增加形核数目,2.,变质处理：液态金属加入变质剂，异质形核,或阻碍晶粒长大,3.,振动和搅拌,3.5.3,非晶态金属,非晶态金属（金属玻璃）：,快速冷却,使金属保留液态时的原子排列。强度高，韧性大，耐腐蚀，导磁性强,凝固理论的应用,形成条件：快冷至,Tg,温度（玻璃化温度）以下。T,g,=T,m,-T,g,越小，越易获得非晶态。,在熔点到结晶温度区间加快冷却速度（超过,10,6,K/S),。,制备方法：离心急冷法、轧制急冷法,3.5.4,金属铸锭的铸态组织及缺陷,金属结晶后的组织统称铸态组织。,铸锭的铸态组织是指晶粒的形态、大小、取向及缺陷,(,疏松、夹杂、气孔等,),和界面的形貌等，,组织决定性能,。,1,、表层细晶粒区,2,、柱状晶粒区,3,、中心等轴晶粒区,金属铸锭的的三个晶区,铸锭的组织,1,、表层细晶粒层,液体金属浇入铸模后，由于模壁温度较低，表层金属剧烈冷却，过冷度大，且模壁的异质形核作用，故铸锭表层形成细晶粒层。,2,、柱状晶粒层,表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核,的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较快。由于沿垂,直于模壁方向散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形,成柱状晶粒层。,3,、中心等轴晶粒区,柱状晶粒区成长到一定厚度时，散热的方向性已不,明显，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方向的,成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成粗大的等轴晶,粒区。,3.5.5,金属铸锭的三个晶区的形成,铸锭的组织,对于钢锭，一般是等轴晶区愈大愈好。铸造组织是由合金的化学成分和浇注条件等因素来决定的。,化学成分一定时，通常情况下，提高浇注温度、加快冷却速度或采用定向冷却散热方法，并减少非自发晶核等条件有利于柱状晶区扩展。相反，有利于等轴晶区的扩展。根据需要，可以制成纯柱状晶铸锭和纯等轴晶铸锭,。,3.5.6,铸锭组织的控制,铸锭的组织,3.5.7,铸锭的缺陷,铸件缺陷：,缩孔、缩松、气孔、偏析、夹杂等。,缩孔：,结晶收缩和固态收缩造成,缩松,(,分散缩孔,),：,树枝状长大，,枝晶间液态没有补充,气孔：,溶解的气体没有溢出,偏析：,铸锭内部化学成分不均匀,夹杂：,外来的杂质或内部反应,生成的金属氧化物等,铸锭的组织,over,